1、基于 S3C2440 的嵌入式智能小车控制系统设计肖成 罗坚（湖南信息职业技术学院 信息工程系，湖南长沙 410000）摘要：介绍了以 S3C2440 芯片（ARM9）为核心的嵌入式智能小车，主要由主控芯片、直流电机驱动模块、视觉功能模块、数据传输模块、超声波测距模块、测温模块、红外避障模块等组成。自整定的模糊控制算法对小车速度进行闭环控制。并采用模块化的设计方法完成智能小车的设计。关键词：嵌入式；智能小车；PWMAbstract：In this paper, an embedded smart car is introduced, which uses the S3C2440(ARM9) a
2、s the core chip and achieved by modular design method. The car consists of the main chip, DC motor drive module, visual function module, data transfer module, ultrasonic distance measuring module, temperature measurement module, infrared obstacle avoidance module and other components.Key words: Embe
3、dded system, Smart car, PWM1 引言随着电子信息业的不断发展，智能移动机器人及相关技术研究已经成为热门。本文以全国高职院校智能小车竞赛为背景，设计出了一种基于 ARM9 的智能小车控制系统，提高了对直流电机的控制效率，在 ARM 上移植了 Linux 操作系统，友好的人机界面，使开发过程变得容易。并对控制系统进行模块化设计，有利于智能小车的功能扩展和升级。设计了具有视觉、避障、测距、测温功能，能实现自主线路识别的智能小车控制系统1-5。 “PC+运动控制器”是目前开放式数控系统最常见的形式。主 PC 用于人机界面、存储和通讯，运动控制器部分作从属 CPU 来实现实时控
4、制、 I/O 中断和计算等。 2、嵌入式智能小车整体功能嵌入式智能小车结构框图如图 1 所示。嵌入式智能小车在巡航过程中有如下功能，寻迹功能、红外避障功能、超声波测距功能、温度采集功能、图像采集功能、图像传输功能。在没有遇到障碍之前按寻迹功能在标记路线上巡航，但在寻迹过程中遇到障碍物体时能通过红外探测到障碍物的具体方位并通过超声波测量出障碍物的距离，而且可以根据测得距离进行避障决策，通过 DS18B20 采集当前环境的温度，判断温度是否在承受范围之内，通过摄像头拍摄障碍物照片并保存到指定文件夹下，同时也可通过 wifi 将拍摄照片传送到远程控制台，实现嵌入式智能小车自主漫游、自主判断选择适合的
5、漫游和躲避策略。图 1 嵌入式智能小车结构框图3、嵌入式智能小车控制系统设计嵌入式智能小车控制系统包括以下模块。（1）主控模块本控制系统的的微控制器采用三星公司的 S3C2440，它负责直流电机调速控制信号、寻迹信号、红外遇障信号、图像信号、超声波测距、温度等信号的采集和处理和与无线通讯终端的无线通信，从而实现对各功能模块的全局协调控制。（2）直流电机驱动模块为了更好的控制电机，我们采用 L298 专用芯片驱动直流电机。该芯片内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，L298 芯片采用标准 TTL 逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，我们通过两个输入端（高、低电平）来控制电机的正转和反转，
6、由于执行的直流电机为感性负载，在晶体管桥上各反向并联一个续流二极管（二极管其保护作用） 。本功能模块的控制电路如图 2 所示，它是用 S3C2440 芯片的 GPB0、GPB1 引脚来控制电机的使能，用 GPG1、 GPG10、 GPE11、 GPE13 引脚分别连接电机的左电机和右电机的正反转控制，用 TOUT0、TOUT1 引脚控制左右电机频率，用 VCC、GND 引脚连接电源和地。 图 2 直流电机驱动电路原理图（3）红外避障模块如图 3 所示，本模块采用一种集发射与接收于一体的光电传感器，检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便
7、等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。为使小车能够做出正确的判断我们要先调解红外光电传感器的探测距离，这样可以避免小车探测到过远的物体而做出错误的判断。光电开关传感器有三条线，分别为电源、地、输出。将两个红外的输出分别连接S3C2440 的 GPF5 和 GPF6 引脚。小车运行过程中只需扫描 GPF5 和 GPF6 两引脚的状态即可判断有无障碍物。当检测到目标为低电平时为探测到有障碍物，反之没有障碍物。图 3 红外避障模块电路图（4）超声波测距模块本模块采用渡越时间法测距6，即超声波传感器向空气中发射声脉冲 , 声波遇到被测物体反射回来, 若可以测出第一个回波达到的时间与发
8、射脉冲间的时间差 t,利用 ,即12svt可算得传感器与反射点间的距离 s , 测量距离 ,若 sh 时,则 d 2()hdss。 （h、s 、d 关系如图 4 所示）对于接收探头，因为接收的超声波信号很微弱而且考虑到干扰的因素，接收端有放大电路与滤波电路。当接收到超声波时，IO 口即为高电平，通过 IO 口来确定是否检测到超声波，因此通过计算测的距离障碍物的距离然后就可以判断是否转弯。图 4 h 与 s 和 d 的关系（5）温度采集模块本模块采用“MCU+传感器+终端显示设备”的总体设计方案，要求 MCU 对温度传感器发送指令采集外部温度信息，将采集的温度信息存放在外部存储器中，同时发送指令
9、独进行读取存储器中温度数据，并计算转换成摄氏度，显示在超级终端上。其中 MCU 采用 S3C2440；传感器采用“DS18B20 温度传感器 ”；显示设备采用无线通讯终端。温度采集模块框图如图 5 所示。S 3 C 2 4 4 0温度传感器 右轮伺服电机左轮伺服电机V C C G N D图 5 温度采集模块框图（6）图像采集、处理模块本功能模块的主要内容是：运用 S3C2440 的 GPIO 接口编程，通过对摄像头发送指令采集图像，以指定的格式大小保存在指定文件夹下，并利用 wifi 无线传输到远程宿主机上。实现远程监控。通过 S3C2440 的 GPIO 接口控制 ov9650 摄像头采集图
10、像，因为摄像头采集到的是 16bit 的 rgb 流，libjpeg 库提供的压缩程序将其压缩并保存成 jpg 文件，可是该库只能压缩 24 位的，于是先将 RGB565 转换成 RGB24 再调用该库的压缩函数压缩成所需的jpeg 图片，最后保存无线通讯终端，实现远程访问。4、嵌入式智能小车控制系统软件设计通过程序设计实现对嵌入式智能小车的平稳运行控制。计算出合理的 PWM 值使嵌入式智能小车在启动与停止时平稳加减速，寻迹时运用数自整定的模糊控制算法对小车速度进行闭环控制。该算法通过对寻迹路径的偏差及偏差的导数进行模态划分，产生对应的控制规则，控制舵机的转角，以达到消除偏差的目的。小车在前进
11、过程中，根据不同的路况给出不同的速度给定值，通过模糊控制器进行速度调节，以缩短小车的速度控制响应时间，减小稳态误差。系统将小车的角度变化率反馈给模糊控制器，通过修正规则进行模糊参数的自整定。图 6 是嵌入式智能小车模糊算法寻迹流程图。 开始读取信号结束取得偏差量Y E S模糊化查表得控制量反模糊化输出图 6 模糊算法寻迹框图5、嵌入式智能小车运行检测嵌入式智能小车的控制方式有三种：无线通讯终端控制、手动控制、Window 超级终端控制。通过无线通讯终端发送启动、停止命令，可让嵌入式智能小车完成寻迹、任务探测或者自主漫游任务。并且能把任务途中探测、采集的信号以及其他的状态参数传输到无线通讯终端进
12、行数据检测对比及评分。如图 7 所示，经过嵌入式产品开发项目竞赛表明，嵌入式智能小车运行平稳，实时性好，完成任务准确。图 7 无线通讯终端6、结论该智能小车寻迹控制系统采用模糊算法寻迹，使得嵌入式智能小车的行驶更具有主动、广泛性。该智能小车还采用了高精度红外、超声波避障模块和温度检测模块，提高了智能小车行驶的安全性。采用功能强大的 ARM 嵌入式系统与智能控制。嵌入式对智能小车的控制系统进行模块化设计，有利于小车功能的进一步升级和改进，提高了系统设计效率。本系统可以作为移动机器人的载体，在技术成熟以后可以应用于门禁系统 、小区巡逻、实地勘测 、智能玩具等领域 。参考文献：1王华慧PWM 波形的
13、计算机仿真 J绍兴文理学院学 报，2005，(6)2栾宝宽，方蕾，冯永浩基于 DDS 的信号发生器的设计 与实现J电子工程师，2005 3李磊，叶涛，谭民，等.移动机器人技术研究现状与未来 J.机器人，2002（05） ；475-4804鲁涛，原魁，朱海兵.智能轮椅研究现状及发展趋势J.机器人技术与应用，2008（02） ；1-5.5章小兵，乔茹，赵光兴. 基于改进蚁群算法的移动机器人全局路径规划 J.机电工程，2009（03） ；91-93.6Chang ，C.C ， KaiTai Song Ultrasonic sensor data integration and its application to environment perception J Journal of Robotic Systems ， 1996， 13（10）： 663677作者简介：肖成，男，湖南衡阳人，1984 年生，助教，本科，研究方向：电子信息技术。
